基于PASCO傳感器和NI數據采集卡的“馬呂斯定律驗證”實驗設計

王建中，黃 林，唐一文

（華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢430079）

1 引 言

隨著科技的迅猛發展，計算機技術、軟件開發及傳感器技術在實驗中所起的作用越來越重要.作為現代測量技術的重要發展方向，我們認為，在課堂實驗教學中應當對這方面的內容有所涉及.目前，國內許多高校都建立了基于PASCO的“數字化實驗室”，它本質上是由程序控制的，基于各類傳感器的數據采集實驗系統.這類實驗系統充分體現了現代測量技術具有“數字化”和“信息化”的特點，所以在物理實驗教學中，適當增加“數字化”方面的內容，符合信息技術與課程相融合的發展趨勢.基于以上認識，我們將PASCO運用到本校的 “數字化實驗室”中，并開設出了一系列的實驗.本文以“馬呂斯定律的驗證”在PASCO系列實驗中的基礎實驗為例，簡要介紹運用Lab VIEW編程控制NI公司［1］的數據采集卡，并結合CI-6538角度傳感器和CI-6504A光傳感器來完成實驗的過程與方法.

2 原理與裝置

當自然光通過偏振片A和B，如圖1所示.偏振片間的透振方向夾角為φ，經過起偏器A形成的線偏振光強度為I0，則通過檢偏器B的透射光強（相對光強）I將滿足如下關系（馬呂斯定律）［2］

可以讓學生用實驗手段驗證或者探究該定律.

圖1 馬呂斯定律示意圖

圖2 實驗裝置結構框圖

實驗裝置結構如圖2所示，實驗采用PASCO的OS-8525A作為實驗光源，并將PASCO的CI-6504A光傳感器和CI-6538角度傳感器通過轉接頭（PASCO的CI-6718和CI-6719配件）與NI公司的PCI-6251數據采集卡相連，2個傳感器采用外部直流穩壓電源供電，工作電壓為＋5V，實驗程序采用LabVIEW編程.實驗時，偏振片A固定不動，順時針方向旋轉偏振片B，相對光強以及旋轉角度的測量由程序自動完成.

3 實驗程序設計

實驗程序采用條件選擇結構，程序結構圖如圖3所示.

從圖3可知，程序的設計至少要滿足以下要求：首先，要準確地完成相對光強和旋轉角度的測量；其次，實驗程序應能將所測數據實時顯示，以便實驗者（程序操作者）觀察，同時，考慮到實驗有重復多次進行的可能性，所以程序還必須加上數據清零的功能；最后，在測量結束時所測實驗數據要能自動傳送至科學計算繪圖軟件（例如Origin）中以便作進一步分析.其中，實驗數據的顯示和清零的功能在LabVIEW中實現較為簡單，這里不再贅述.設計程序框圖如圖4所示.下面主要介紹相對光強測量、旋轉角度測量、數據傳遞模塊的實現方法.

圖3 實驗程序結構圖

圖4 實驗程序框圖

3.1 相對光強測量模塊

在實驗中相對光強的測量是依靠CI-6504A光傳感器來完成的，CI-6504A核心部件為PIN硅光電二極管，工作時采用＋5V電源供電，能夠將光強的大小轉換成相應的電壓輸出，光強大小與電壓大小在一定范圍內成正比.CI-6504A對波長在320～1 100nm范圍內的光波都有良好的響應，在實驗中將CI-6504A光強傳感器通過CI-6718轉接頭與NI公司的PCI-6251數據采集卡的模擬輸入端口相連，將采集卡模擬輸入端口測量的電壓（CI-6504A光傳感器輸出電壓）作為相對光強.

3.2 旋轉角度測量模塊

偏振片A和B的透振方向夾角的測量主要依靠角度傳感器CI-6538來完成，CI-6538實質是光學編碼器，由光學部分和電氣部分組成，工作電壓為＋5V.它旋轉1周最多能產生1 440個脈沖，所以它的最高分辨率為0.25°.在實際測量時，將角度傳感器CI-6538通過CI-6719轉接頭與PCI-6251采集卡相連，利用LabVIEW編寫的程序來控制采集卡，即可利用采集卡中的計數器對脈沖進行計數，根據測量得到的脈沖數就能夠換算成旋轉的角度.

3.3 數據傳遞模塊

LabVIEW和Origin之間的數據傳遞通過在LabVIEW編程環境中調用的5個vi即可，它們分別 是 OA＿ConnectToOrigin.vi，OA＿New-Worksheet.vi，OA＿FindWorksheet.vi，OA＿Get-Column.vi，OA＿Col-SetData.vi，其數據傳遞模塊的程序框圖如圖5所示.

圖5 數據傳遞模塊

4 實驗測量

實驗需要從兩偏振片透振方向夾角為零時開始測量，根據傳感器與NI數據采集卡端口的連接情況，需要在程序控制面板“選項卡控件設置2”中對采集卡作一些必要的配置.例如可以選擇Dev1／ctr0作為計算器，計數方向選擇“升值計數”，邊沿選擇“上升沿”，模擬通道選擇“Dev1／ai0”.在測量時，固定偏振片A不動，順時針方向旋轉偏振片B，則偏振片透振方向的夾角φ與相對光強I的關系曲線可以伴隨偏振片B的旋轉，實時的在電腦上顯示出來，同時也可以得到夾角和相對光強對應的數據表格，如圖6～7所示.

圖6 程序控制面板及實驗曲線

圖7 實驗數據

從實驗結果可以得出，其與理論關系符合得較好，證明所編寫的LabVIEW程序滿足實驗測量要求.

5 結束語

在本實驗設計中，學生在教師的指導下，通過LabVIEW控制NI數據采集卡（連接相應傳感器）來進行實驗數據的采集，獲得了較好效果.我們期待通過這種實驗教學方式，使學生初步掌握圖形化工具LabVIEW的編程方法，熟悉NI數據采集卡的控制方法，從而為他們逐步掌握數字化測量技術的原理和方法打下一定基礎.

［1］龍華偉.LabVIEW 8.2.1與 DAQ 數據采集［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［2］姚啟鈞.光學教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］張偉，張偉，蔡穎標，等.基于PASCO平臺的法拉第磁光效應實驗［J］.物理實驗，2011，31（7）：33-36.

［4］金立，史建軍，張曉波，等.基于PASCO系統的分光計實驗［J］.實驗室研究與探索，2010，29（11）：276-269.

［5］彭東青，劉志高，黃宏緯，等.基于PASCO系統的物質折射率測量［J］.物理實驗，2011，28（2）：33-35.

［6］謝行恕，康士秀，霍劍青.大學物理實驗（第二冊）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［7］路峻嶺.物理演示實驗教程［M］.北京：清華大學出版社，2005.